康明斯柴油发电机挺柱改良实例及配气机构优化仿真

将平底挺柱改为滚轮挺柱措施，同时理论上进行了科学讨论和分析。为了更好地证明该措施的实际操作性，康明斯公司利用 AVL-EXCITE Timing Drive 软件对改进后的柴油发电机配气机构进行了仿真计算，通过对比改善前后的各项数据以及接触应力、推杆力、气门反跳、弹簧并圈来评估改良措施的可行性。

      随着现代柴油发电机强化程度提升、排放升级、爆压提升等发展趋势，对柴油发电机各系统及机构的要求也越来越高。配气系统作为发电机的两大装置之一，其精确性、可靠性都必须得以保证，并随着柴油发电机强化趋势越来越受到重视。配气机构的主要作用是实现发电机的换气步骤，根据气缸的作业次序，定期开启和关闭进、排气门，以保证汽缸吸入新鲜空气和排出废气。现代柴油发电机布置中，配气系统布置占有重要地位。其布置品质直接影响着柴油发电机的技术性能、工作可靠性康明斯发电机中国官网、耐久性和平稳性。随着柴油发电机平均有效压力和转速的提升，配气系统零件所承受的机械负荷、热负荷、摩擦损伤以及震动噪音急剧增加。为了保证柴油发电机具有良好的性能和寿命，对配气装置提出了更高的要求。本文正是在这种前提下，关于6CTA8.3-G2规格柴油发电机配气机构在性能不断提高步骤中遇到挺柱与凸轮轴之间的磨损问题，对原配气装置进行改良布置。

      6CTA8.3-G2型柴油发电机排量8.9 L，凸轮轴置于机体侧面中部，通过挺柱推杆传递到摇臂驱动气门。近年来随着排放要求的提升和对发电机经济性等各方面要求的逐步提升，该类型发电机经过多次改善，发电机各项性能指标均作了较大幅度的提升。伴随着这些改进和提高，柴油发电机本体各装置均进行了不同程度的改进，配气装置的损伤问题日益突出，特别是凸轮轴和挺柱之间的磨损和点蚀事故越来越多。基于这样的现状，须处置凸轮轴与挺柱间的磨耗和点蚀问题。通过AVL-EXCITE Timing Drive软件对原规划办法的剖析计算发现，进排气凸轮与挺柱底面接触面的接触应力分别达到688.3 MPa和836 MPa，超过了钢制平底挺柱的一般许用值680 MPa。因此改用在重型柴油发电机领域中运用越来越广、且已经趋于成熟的滚轮挺柱，以代替原来的平底挺柱。操作AVL-EXCITE Timing Drive软件模拟原办法与改进措施，评价凸轮与挺柱之间的接触应力是否得到改善，并进一步对比2种举措，从配气系统的运动学、动力学方面进行仿真计算来评估改善办法的效果和可行性。

      原柴油发电机配气装置为平底挺柱、凸轮轴下置型，其好处在于传动系统简单、易于布置，如图1所示。考虑到售后反馈的配气装置耐久性问题详细集中于凸轮与挺柱间的过量磨损，因此不改变配气系统的部署，只考虑将平底挺柱改为滚轮挺柱，并根据挺柱变更后凸轮型线跟随性的差别，对凸轮型线进行微调，尽可能保证气门运动特性不产生大的变化。改进后滚轮挺柱外观构造见图2。比较2种规划构造的主要差异如下：

      本次改良布置主要集中于配气系统的耐久性和机械强度，不考虑气缸之间的相互危害。且通常柴油发电机凸轮轴的扭转刚度足够大，因此从具体关注的耐久性、机构机械强度上看，单独阀系的系统动力学与整个阀系的机构动力学结果差别不大，可采用单阀系来模拟计算。

本次模拟分析具体采用AVL-EXCITE Timing Drive软件建立配气系统运动学和动力学模型，运用proE软件测量零件质量、位置尺寸等参数，应用Abaqus计算零件刚度等数据，其余参数如润滑油参数、材料数据来自于零配件提供商和经验数值。

      原柴油发电机为成熟机型，质量数据采用实物测量及模型校对的方法获得；位置参数通过proE建立配气机构部署图，进而获得距离、角度等装置关键尺寸；缸内压力由样机测试得到；气门间隙直接测量样机获得；所有零配件的材料皆为配气装置零配件实际使用的材料。采用经过校核的模型利用有限元软件来计算具体构成件的刚度。

      AVL-EXCITE Timing Drive是奥地利AVL公司用于配气机构运动学和动力学剖析的软件，其运动学、动力学计算基于多品质动力学模型的理论，采用多个集中品质块来简化模型。软件本身供应了相应的集成化模块，具有友好的用户界面，建立模型及数据输入较为方便。其中运动学及动力学解析模块，能够通过仿真计算，明确气门运动特性及配气系统动力学相关性能。帮助每个常规配气机构布置出较好的性能和较可靠的结果。配气机构的每一部分都用模块元件单独描述，这些模块可以连接起来形成完整的配气装置模型。每一个建模用的元件都经过精心的设计以操作较少的自由度，但同时保留足够的细节来确保仿线）运动学仿真模型

      在AVL-EXCITE Timing Drive软件的运动学计算中，阀系被当量成双品质模型.即阀系当量总品质被分配到凸轮侧和气门侧，其中凸轮侧当量质量包括挺柱质量和推杆品质。气门当量质量包括气门方向运动的零件品质和将转动零件的转动惯量切换的质量。阀系的当量总刚度可通过对各零件刚度串联求和得到。运动学阀系总当量刚度不包含气门刚度4。

      动力学计算是将各部件看作弹性质点，根据功用在弹性机构中各构件的力的弹性关系，并考虑装置中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种条件，建立气门运动的微分方程，最后求解各种转速下气门的真实运动。对动力学结果的评价详细考虑从动件的飞脱、气门反跳、凸轮接触应力，气门弹簧裕度以及弹簧并圈等现状。应用AVL EXCITE Timing Drive软件，根据柴油发电机配气装置实体构造及零配件布置状况，建立了进、排气机构单阀系动力学仿真模型。

       配气机构改进结果的解析，具体从系统机械强度要求的角度来考虑，重点关注凸轮与挺柱之间的接触应力、气门落座速度、弹簧动态力等。

（2）缓冲段末端气门转速由2.228增大至3.308 mm/°；（3）开启、关闭段包角由64°、64°分别减为60°、58°；

       针对改善后的配气装置，需要验算其滚轮挺柱与凸轮间的动态接触应力、弹簧动态力、气门落座转速等，以评价改善后配气装置的装置规划是否满足动力学要求。

      图7~图12对改良的配气装置动力学的结果进行了整理：改善后气门动力学升程、转速曲线均满足一般规划标准；凸轮与挺柱的接触应力虽比原平底挺柱的高，但均小于滚轮挺柱的许用值；在整个气门开启段没有飞脱状况；缓冲段气门转速有所升高，但气门落座力平稳、无反跳情形；推杆力均满足屈曲强度要求；气门弹簧颤振情形良好，没有发现并圈情形；      气门的开启关闭段丰满度提高，有利于进排气效率的提升。综上所述并结合配气装置系统动力学分析标准，改进后的配气机构装置动力学结果皆满足使用方式。

      为排查某成熟机型产生的挺柱底面与凸轮轴磨耗问题，将配气装置中的平底挺柱改为滚轮挺柱；并基于滚轮挺柱构成以原凸轮型线为参考重新设计凸轮型线康明斯发电机组厂家，应用AVL-EXCITE Timing Drive软件布置型线，并对整个系统的运动学、动力学进行了分析。

由解析结果得知，挺柱改良后，型线设计柴油发电机十大厂家、运动学、动力学解析皆满足设计要求。下一步着重从试验验证及性能优化2个方向同步进行，试验验证改良后系统的可靠性、耐久性等，并可根据试验结果对分析模型进行校验；另一方面，可以在性能试验的基础上对型线进行优化，可考虑在包角不变的前提下优化凸轮型线，这样改善后的新型线在不调整配气正时的情形下就可以直接运用。